模拟基坑开挖的物理模型试验设备及方法技术

本发明专利技术公布了一种模拟基坑开挖的物理模型试验设备及其方法，该设备包括：包括模型箱、内衬构件、液囊、气囊。模型箱内部埋填模型材料，且模型材料上表面具有尺寸适于置放内衬构件的基坑；内衬构件，呈内凹状设置，且凹口向上地置于模型箱的基坑中；液囊置于内衬构件的内腔，且液囊与内衬构件之间具有气囊；气囊为内凹状结构，且气囊外缘的形状与内衬构件的内腔形状适配，而液囊的外缘形状则与气囊的内缘形状适配；液囊通过进液管充满液体时，能够填满气囊的整个内凹空间；气囊通过进气管充满气体时，能够均匀布满液囊与内衬构件之间的整个间隙。采用本装置，具有可实现室内基坑开挖模拟，为岩土工程室内模型试验提供有力的测试工具。

【技术实现步骤摘要】
模拟基坑开挖的物理模型试验设备及方法
本专利技术涉及一种模拟基坑开挖的物理模型试验设备，属于岩土工程领域中一种能够真实模拟基坑开挖时结构内力变化和土体变形的物理模型试验装置。
技术介绍
随着我国经济的高速发展，我国公路、建筑和水利建设事业也随之蓬勃发展，基坑工程是所有工程都需要重视的，因为支护结构的不稳定常常会给施工带来灾难性的后果。工程的建设离不开室内试验，尤其是室内模型试验可以通过缩小构件的比例尺来模拟工程建设和使用中的受力情况和变形情况，这对于工程项目建成以后的稳定性和适用性具有很大的指导意义。基坑开挖模拟过程中最突出的问题是不能够很好地模拟开挖过程中土的应力应变和内衬结构的应力应变，因为模型缩小以后，模型箱内部模型材料会出现模型应力场比实际工程的地应力场小很多，内部填固体的侧压力系数与外部侧压力系数不一致，内部与外部的密度不一致等情况，而且以往模型试验开挖过程中会造成较大扰动，使土体内部监测设备得到的数据不准确。
技术实现思路
技术问题：本专利技术的目的是针对现有基坑开挖模拟扰动大和不能真实模拟开挖过程而设计一种能够真实模拟基坑开挖设备。本专利技术可以根据试验需要实现基坑开挖的真实模拟，而且此设备制造简单、造价低廉，是岩土工程领域一种经济、实用的物理模型试验设备。技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术用于一种模拟基坑开挖的物理模型试验设备可采用如下技术方案：一种模拟基坑开挖的物理模型试验设备，包括模型箱（12）、内衬构件（13）、液囊（2）、气囊（7），其中：模型箱（12）内部埋填模型材料（9），且模型材料（9）上表面具有尺寸适于置放内衬构件的基坑；所述的内衬构件（13），呈内凹状设置，且凹口向上地置于模型箱（12）的基坑中；液囊置于内衬构件的内腔，且液囊与内衬构件之间具有气囊；气囊具有进气口和出气口；气囊的进气口配装进气管，气囊的出气口配装出气管；进气管、出气管上均安装有止气阀；液囊具有进液口和出液口；液囊的进液口配装进液管，液囊的出液口位于液囊的下端，并配装出液管；进液管、出液管上均安装有止水阀；气囊为内凹状结构，且气囊外缘的形状与内衬构件的内腔形状适配，而液囊的外缘形状则与气囊的内缘形状适配；液囊通过进液管充满液体时，能够填满气囊的整个内凹空间；气囊通过进气管充满气体时，能够均匀布满液囊与内衬构件之间的整个间隙；液囊通过出液管排出自身内部充填的液体时，气囊内一直充填有压力恒定的气体。作为专利技术的进一步改进，气囊通过进气管与气压泵的高压端连通，通过出气管与气压泵的低压端连通。作为专利技术的进一步改进，气囊（7）为塑料或橡胶材质，厚度为0.0075mm~0.15mm；液囊与内衬构件之间的间隙为1~2cm；气囊内部的气体为空气。作为专利技术的进一步改进，内衬构件（13）粘贴有应变片。作为专利技术的进一步改进，液囊（2）为塑料和橡胶材质，厚度为0.0075mm~0.15mm；。作为专利技术的进一步改进，进液管（6）设置于液囊（2）上部，出液管（10）设置于液囊（2）的下部。作为专利技术的进一步改进，液囊通过进液管（6）与液压泵的高压端连通，而通过出液管（10）与液压泵的低压端连通。本专利技术另一个技术目的是提供一种上述的模拟基坑开挖的物理模型试验设备的使用方法，包括以下步骤：（一）、试验设备组装1.1、放置模型箱（12）在试验位置，在模型箱（12）中添加模型材料（9），添加时需要注意分层碾压保证模型材料（9）的密实度，密实度根据所模拟的实际土体密度确定，同时还应注意填埋土压力盒、孔压计；添加模型材料（9）需要预留内衬构件（13）的置放空间；1.2、在模型箱（12）中安放根据实际工程制作的内衬构件（13），内衬构件（13）呈内凹状设置，安放时凹口朝上；，内衬构件的凹腔中布设内凹状气囊（7），气囊（7）的内侧放置液囊（2），液囊（2）能够填满气囊的整个内部空间；（二）试验前准备2.1、关闭出气管（11）的止气阀（4），打开气压泵（1）的电机，电机转动使气缸增压，压力通过进气管（3）传递到气囊（7）中，使气囊（7）充气，充气达到需要的压力值后关闭进气管（3）的止气阀（4）和气压泵（1）的电机；2.2、关闭出液管（10）的止水阀（5），打开液压泵（8）的电机，电机转动使液压缸增压，压力通过进液管（6）传递到液囊（2）中，使液囊（2）充满液体，充液达到需要的压力值后关闭进液管（6）的止水阀（5）和液压泵（8）的电机；（三）模拟基坑开挖3.1、打开数据采集系统，打开出液管（10）中部的止水阀（5），打开液压泵（8）中的电机，充入液囊（2）的液体逐渐回流到液压缸中，直至液体完全排出，表示基坑开挖已完成；3.2、打开出气管（11）中部的止气阀（4），打开气压泵（1）的电机，充入气囊（2）中的气体逐渐吸入到气缸中，直至气体完全吸入气缸中，关闭电机；取出液囊（2）和气囊（7），继续其他监测试验，直至试验结束。有益效果：与传统测试技术相比，本专利技术：1、本专利技术在内衬构件中置放充有液体的液囊，通过逐步排放液囊中充填的液体，模拟基坑开挖的过程，由此可知，本专利技术开挖过程中不容易扰动模型箱中的模型材料，通过传感器检测的数据能够反应出基本是由于液囊中液体排出引起的，故而能够较为真实地反应实际开挖过程；2、本专利技术在液囊与内衬构件之间布置气囊，使得液囊中液体排放后产生的压力变化，通过充有压力恒定气体的气囊传递至内衬构件，由此可知，本专利技术所述的气囊，能够缓解液囊中液体排出时对内衬构件，尤其是内衬构件侧壁产生的液压的剧烈变化，基本消除模型箱相对于实际施工场地缩小的应力变化放大影响，故而能够较为真实地反应实际开挖过程；3、本专利技术运用在室内物理模型试验中，可以根据实际工程调整侧压力大小，并且可以根据需要调整开挖速度与开挖步进，具有经济性、可靠性和可重复性的特点。附图说明图1是本专利技术用于一种模拟基坑开挖的物理模型试验设备的结构示意图。其中有：气压系统1、液囊2、进气管3、止气阀4、止水阀5、进液管6、气囊7、液压系统8、模型材料9、出液管10、出气管11、模型箱12、内衬构件13。具体实施方式下面结合附图和具体实例，进一步阐明本专利技术，应理解这些实例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。请参阅图1所示，本专利技术公开一种模拟基坑开挖的物理模型试验设备，该设备主要分为以下三部分：外接气压设备、试验主体、外接液压设备，其中：所述的试验主体，包括模型箱、模型材料、内衬构件、气囊、液囊：根据实际工况制作内衬构件，并根据实际工程需要制作和粘贴应变片等传感器；内衬构件为试验模型构件，呈内凹状结构。再在模型箱中埋填模型材料，埋填时，在需要模拟的位置预留置放内衬构件的基坑。将内衬构件的凹口朝上地放置在需要模拟的位置，内衬构件内侧铺设呈内凹状设置的气囊，气囊内侧铺设液囊，液囊应有足够大，能够填满气囊的内部空间。气囊和液囊可以根据需求选择塑料或橡胶材质，其壁厚0.0075mm~0.15mm，气囊厚度应在1cm~2cm。液囊与内衬构件之间的间隙为1~2cm；换句话来说，充满气体后的气囊的整个厚度为1~2cm。气囊内部气体可以选用空气或者其他不易液化的气体。气囊的上部设置进气口，下部设置出气口。液囊本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟基坑开挖的物理模型试验设备，其特征在于：包括模型箱（12）、内衬构件（13）、液囊（2）、气囊（7），其中：模型箱（12）内部埋填模型材料（9），且模型材料（9）上表面具有尺寸适于置放内衬构件的基坑；所述的内衬构件（13），呈内凹状设置，且凹口向上地置于模型箱（12）的基坑中；液囊置于内衬构件的内腔，且液囊与内衬构件之间具有气囊；气囊具有进气口和出气口；气囊的进气口配装进气管，气囊的出气口配装出气管；进气管、出气管上均安装有止气阀；液囊具有进液口和出液口；液囊的进液口配装进液管，液囊的出液口位于液囊的下端，并配装出液管；进液管、出液管上均安装有止水阀；气囊为内凹状结构，且气囊外缘的形状与内衬构件的内腔形状适配，而液囊的外缘形状则与气囊的内缘形状适配；液囊通过进液管充满液体时，能够填满气囊的整个内凹空间；气囊通过进气管充满气体时，能够均匀布满液囊与内衬构件之间的整个间隙；液囊通过出液管排出自身内部充填的液体时，气囊内一直充填有压力恒定的气体。

【技术特征摘要】
1.一种模拟基坑开挖的物理模型试验设备，其特征在于：包括模型箱（12）、内衬构件（13）、液囊（2）、气囊（7），其中：模型箱（12）内部埋填模型材料（9），且模型材料（9）上表面具有尺寸适于置放内衬构件的基坑；所述的内衬构件（13），呈内凹状设置，且凹口向上地置于模型箱（12）的基坑中；液囊置于内衬构件的内腔，且液囊与内衬构件之间具有气囊；气囊具有进气口和出气口；气囊的进气口配装进气管，气囊的出气口配装出气管；进气管、出气管上均安装有止气阀；液囊具有进液口和出液口；液囊的进液口配装进液管，液囊的出液口位于液囊的下端，并配装出液管；进液管、出液管上均安装有止水阀；气囊为内凹状结构，且气囊外缘的形状与内衬构件的内腔形状适配，而液囊的外缘形状则与气囊的内缘形状适配；液囊通过进液管充满液体时，能够填满气囊的整个内凹空间；气囊通过进气管充满气体时，能够均匀布满液囊与内衬构件之间的整个间隙；液囊通过出液管排出自身内部充填的液体时，气囊内一直充填有压力恒定的气体。2.根据权利要求1所述的模拟基坑开挖的物理模型试验设备，其特征在于：气囊通过进气管与气压泵的高压端连通，通过出气管与气压泵的低压端连通。3.根据权利要求1或2所述的模拟基坑开挖的物理模型试验设备，其特征在于：气囊（7）为塑料或橡胶材质，厚度为0.0075mm~0.15mm；液囊与内衬构件之间的间隙为1~2cm；气囊内部的气体为空气。4.根据权利要求3所述的模拟基坑开挖的物理模型试验设备，其特征在于：内衬构件（13）粘贴有应变片。5.根据权利要求1所述的模拟基坑开挖的物理模型试验设备，其特征在于：液囊（2）为塑料和橡胶材质，厚度为0.0075mm~0.15mm。6.根据权利要求1所述的模拟基坑开挖的物理模型试验设备，其特征在于：进液管（6）设置于液囊（2）上部，出液管（10）设置于液囊（2）的下部）。7.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜广印，王坤，王磊，郭云峰，谢任飞，武军，夏涵，覃达，
申请(专利权)人：中国人民解放军六三九二六部队，东南大学，
类型：发明
国别省市：北京,11